焦冠達(dá)，劉 昱

（武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，病毒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072）

細(xì)胞蛇（cytoophidium）是由代謝酶聚合組建成的無(wú)膜的蛇形亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，在進(jìn)化上高度保守，在細(xì)胞代謝、增殖和生物體發(fā)育等多種重要生命活動(dòng)中發(fā)揮重要作用。細(xì)胞蛇的主要組成成分是核苷酸代謝酶胞苷三磷酸合成酶（CTP synthase，CTPS）和肌苷5’ 單磷酸脫氫酶（inosine-5’-monophosphate dehydrogenase，IMPDH）。越來(lái)越多的研究表明，細(xì)胞蛇組建和解聚在細(xì)胞增殖、蛋白代謝及癌癥發(fā)生中發(fā)揮重要作用。

1 細(xì)胞蛇結(jié)構(gòu)

2007 年，研究人員首次在果蠅的卵泡細(xì)胞和卵母細(xì)胞胞質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了蛇狀結(jié)構(gòu)，將其命名為細(xì)胞蛇[1]。通過(guò)綠色熒光蛋白的文庫(kù)篩選，發(fā)現(xiàn)果蠅細(xì)胞中的CTPS 也呈現(xiàn)出類(lèi)似的蛇狀結(jié)構(gòu)，提示細(xì)胞蛇的重要組成成分為CTPS[2]。隨后，研究人員在大腸桿菌、酵母、瘧原蟲(chóng)、小鼠和人的多種細(xì)胞中均發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞蛇結(jié)構(gòu)[3-5]，提示細(xì)胞蛇在進(jìn)化上極為保守，對(duì)細(xì)胞生存十分重要。2013 年，Labesse 等人在大腸桿菌中表達(dá)銅綠假單胞菌的IMPDH 重組蛋白，發(fā)現(xiàn)該蛋白在Mg2+和ATP 存在時(shí)形成同源八聚體，該八聚體可以進(jìn)一步形成蛇狀的細(xì)胞蛇結(jié)構(gòu)[6]。

根據(jù)冷凍電鏡觀察結(jié)果，研究人員推測(cè)IMPDH聚合形成細(xì)胞蛇的過(guò)程可分為以下三步[7]：首先單體蛋白聚合形成同源八聚體，這是形成細(xì)胞蛇的基本單元；IMPDH 八聚體首尾相接形成鏈狀多聚體；這些鏈狀多聚體繼續(xù)平行聚合，形成蛇狀的細(xì)胞蛇，長(zhǎng)約3～10μm[7-9]。CTP 形成細(xì)胞蛇的過(guò)程與IMPDH 類(lèi)似，但其形成細(xì)胞蛇的基本單元是CTPS的同源四聚體[8]。到目前為止，僅發(fā)現(xiàn)CTPS 或IMPDH 能組建形成細(xì)胞蛇結(jié)構(gòu)，且在同一細(xì)胞中可以同時(shí)出現(xiàn)CTPS 細(xì)胞蛇和IMPDH 細(xì)胞蛇[8,10]。

Chang 等人將帶有熒光標(biāo)記的IMPDH 轉(zhuǎn)染HeLa 細(xì)胞，并加入谷氨酰胺模擬物6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸（6-diazo-5-oxo-L-norleucine，DON）處理，觀察到了其他形態(tài)的細(xì)胞蛇[10]。除了最常見(jiàn)的位于細(xì)胞質(zhì)中的蛇狀細(xì)胞蛇之外，可以見(jiàn)到直徑約2-5μm 的環(huán)狀細(xì)胞蛇，稍微小一些的戒指狀細(xì)胞蛇，以及定位于細(xì)胞核中的蛇狀或環(huán)狀的核細(xì)胞蛇。研究人員發(fā)現(xiàn)各種形態(tài)的細(xì)胞蛇可以互相轉(zhuǎn)換，其中蛇狀細(xì)胞蛇首尾兩端可以融合形成環(huán)狀細(xì)胞蛇，但不同形態(tài)的細(xì)胞蛇相互轉(zhuǎn)化的具體機(jī)制與相應(yīng)功能尚不清楚。

2 CTPS 和IMPDH 在核苷酸代謝中的作用

CTPS 和IMPDH 都是核苷酸代謝中的關(guān)鍵酶。CTPS 參與三磷酸胞嘧啶核苷酸（CTP）的合成，催化三磷酸尿嘧啶核苷酸（UTP）上的羰基轉(zhuǎn)換成氨基，UTP 轉(zhuǎn)化為CTP[8]。IMPDH 參與鳥(niǎo)嘌呤單核苷酸（GMP）的合成，催化GMP 前體次黃嘌呤核苷酸（IMP）轉(zhuǎn)化為黃嘌呤核苷酸（XMP），隨后XMP 在鳥(niǎo)苷酸合成酶催化下轉(zhuǎn)化為GMP；IMPDH 的催化反應(yīng)過(guò)程涉及ATP 的能量轉(zhuǎn)化，該反應(yīng)是GMP 合成過(guò)程中較為關(guān)鍵的限速反應(yīng)[11]。

3 影響細(xì)胞蛇形成的因素

3.1 核酸代謝抑制劑

谷氨酰胺模擬物DON 是核酸合成的多位點(diǎn)抑制劑。在經(jīng)DON 處理后的多種細(xì)胞內(nèi)，可以觀察到大量CTPS 細(xì)胞蛇和IMPDH 細(xì)胞蛇[8,10,12,13]。麥考酚酸（mycophenolic acid，MPA）和抗病毒藥物利巴韋林是IMPDH 的抑制劑，能抑制次黃嘌呤核苷酸(IMP)轉(zhuǎn)化為黃嘌呤核苷酸(XMP)，進(jìn)而阻礙鳥(niǎo)嘌呤核苷酸(GTP)的合成。在經(jīng)過(guò)MPA 或利巴韋林處理后的細(xì)胞內(nèi)，可以觀察到IMPDH 細(xì)胞蛇，但無(wú)法檢測(cè)到CTPS 細(xì)胞蛇[12]。丙肝病毒感染者在接受干擾素或利巴韋林治療后會(huì)產(chǎn)生抗IMPDH2 細(xì)胞蛇結(jié)構(gòu)的抗體[14,15]。上述研究表明，細(xì)胞蛇的組建受核酸代謝水平及CTPS/IMPDH 活性的影響。

3.2 發(fā)育與細(xì)胞活化

果蠅幼蟲(chóng)體內(nèi)的多種組織中，如中樞神經(jīng)、唾液腺、卵巢和翅原基等，存在大量CTPS 組建形成的細(xì)胞蛇[16]；而與無(wú)突變果蠅幼蟲(chóng)相比，CTPS 突變的果蠅幼蟲(chóng)發(fā)育出現(xiàn)延遲[17]，提示在果蠅發(fā)育過(guò)程中CTPS 十分重要，其組建的細(xì)胞蛇有可能提高其功能。Jeffrey R 等發(fā)現(xiàn)小鼠T 細(xì)胞活化后，細(xì)胞內(nèi)的IMPDH 表達(dá)量迅速上升，并組建形成細(xì)胞蛇[18]；從感染淋巴細(xì)胞脈絡(luò)叢腦膜炎病毒的小鼠體內(nèi)分離脾臟T 細(xì)胞，可以觀察到細(xì)胞中大量存在由IMPDH聚合形成的細(xì)胞蛇，提示在T 細(xì)胞活化過(guò)程中IMPDH 組建細(xì)胞蛇有可能與其功能密切相關(guān)。

3.3 營(yíng)養(yǎng)與溫度

果蠅幼蟲(chóng)發(fā)育的過(guò)程中，從二齡早期到晚期，再到三齡早期，中樞神經(jīng)系統(tǒng)中含有CTPS 細(xì)胞蛇的后胚胎成神經(jīng)細(xì)胞數(shù)目逐步遞減。將果蠅培養(yǎng)基撤走，對(duì)幼蟲(chóng)進(jìn)行饑餓處理后，果蠅細(xì)胞內(nèi)的CTP細(xì)胞蛇數(shù)量大量增加；而恢復(fù)飼養(yǎng)培養(yǎng)基后，已形成的細(xì)胞蛇逐漸解聚。從果蠅提取出對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的S2R+細(xì)胞用PBS 培養(yǎng)，細(xì)胞內(nèi)大量出現(xiàn)CTPS 組建形成的細(xì)胞蛇[19,20]。上述結(jié)果說(shuō)明細(xì)胞亟需營(yíng)養(yǎng)的狀態(tài)促進(jìn)CTPS 細(xì)胞蛇的形成。

除此之外，高溫和低溫均能減少裂殖酵母中細(xì)胞蛇的數(shù)量[13]。將培養(yǎng)中的裂殖酵母從32°C 轉(zhuǎn)移到0°C 培養(yǎng)5min 后，細(xì)胞內(nèi)CTPS 細(xì)胞蛇長(zhǎng)度與和數(shù)量均出現(xiàn)明顯下降。隨著低溫時(shí)間的增長(zhǎng)，細(xì)胞蛇長(zhǎng)度迅速變短，含有CTPS 細(xì)胞蛇的細(xì)胞比例也顯著下降[13]。DON 處理酵母細(xì)胞可以誘導(dǎo)CTPS 細(xì)胞蛇的形成；但如果隨后將溫度降到0°C，可以觀察到細(xì)胞蛇發(fā)生解聚，說(shuō)明DON 誘導(dǎo)CTPS 細(xì)胞蛇形成的過(guò)程可逆，且DON 無(wú)法阻止低溫脅迫誘導(dǎo)的細(xì)胞蛇解聚。將酵母從32°C 轉(zhuǎn)移到37°C 或42°C 環(huán)境下，CTPS 細(xì)胞蛇也能發(fā)生迅速解聚。上述結(jié)果表明，酵母中的CTPS 細(xì)胞蛇對(duì)溫度敏感。

3.4 mTOR 信號(hào)通路

細(xì)胞內(nèi)mTOR 信號(hào)通路參與調(diào)節(jié)多種生理活動(dòng)，如細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖和代謝等。人結(jié)腸癌細(xì)胞SW480 中含有大量CTPS 細(xì)胞蛇；經(jīng)mTOR 抑制劑雷帕霉素或依維莫司處理后，CTPS 細(xì)胞蛇數(shù)量明顯下降，能觀察到細(xì)胞蛇結(jié)構(gòu)的細(xì)胞比例也明顯下降[21,22]。在穩(wěn)定敲低mTORC1 或者穩(wěn)定敲低下游激酶S6K1 的SW480 細(xì)胞中，CTPS 細(xì)胞蛇的數(shù)量與對(duì)照組相比出現(xiàn)顯著下降，而穩(wěn)定敲低mTORC2 對(duì)細(xì)胞蛇數(shù)量無(wú)明顯影響，表明mTORC1-S6K1 信號(hào)通路促進(jìn)CTPS 細(xì)胞蛇的形成。

4 細(xì)胞蛇與癌癥

大量研究表明，核酸代謝酶CTPS 和IMPDH 在結(jié)直腸癌、乳腺癌和前列腺癌等多種癌組織中表達(dá)量顯著增加[23-29]。Gilles 等人利用免疫組化的方法對(duì)比45 個(gè)人慢性肢端黑色素瘤組織和59 個(gè)正常色素痣組織中IMPDH 細(xì)胞蛇數(shù)量，發(fā)現(xiàn)在黑色素瘤細(xì)胞中IMPDH 細(xì)胞蛇陽(yáng)性率高于色素痣細(xì)胞[30]；在結(jié)腸癌細(xì)胞SW480、宮頸癌細(xì)胞HeLa 和喉癌細(xì)胞Hep-2 等多種體外培養(yǎng)的癌細(xì)胞中均能發(fā)現(xiàn)IMPDH 細(xì)胞蛇和CTPS 細(xì)胞蛇[8,10,21,22]，提示癌細(xì)胞的代謝狀態(tài)有助于細(xì)胞蛇形成。Aughey 等人發(fā)現(xiàn)原癌基因Myc 的表達(dá)量與CTPS 細(xì)胞蛇數(shù)量顯著相關(guān)，敲低Myc 會(huì)造成果蠅細(xì)胞中的CTPS 細(xì)胞蛇數(shù)量下降，過(guò)表達(dá)Myc 則促進(jìn)細(xì)胞蛇的數(shù)量上升[31]。臨床病理數(shù)據(jù)顯示，在G2 和G3 級(jí)肝癌組織中存在較多CTPS 細(xì)胞蛇的比率高于G1 和G4 組織[32]，提示細(xì)胞蛇的數(shù)量可能可以作為癌癥發(fā)展階段或預(yù)后的一個(gè)指標(biāo)。

5 展望

活細(xì)胞包含多種膜性細(xì)胞器，磷脂膜將生化反應(yīng)局限在某一特定區(qū)域內(nèi)有序進(jìn)行。近年來(lái)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種無(wú)膜細(xì)胞器，也具有濃縮特定生化反應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征，例如細(xì)胞核中的Cajal 體和核仁，細(xì)胞質(zhì)中的應(yīng)激顆粒和P 小體等。細(xì)胞蛇結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)存在于發(fā)育中的果蠅組織、多種人類(lèi)癌組織和體外培養(yǎng)的癌細(xì)胞中，與發(fā)育和癌癥發(fā)展的階段密切相關(guān)。

細(xì)胞蛇被發(fā)現(xiàn)的時(shí)間不長(zhǎng)，因此對(duì)于細(xì)胞蛇結(jié)構(gòu)和功能的了解仍十分有限。細(xì)胞蛇作為無(wú)膜細(xì)胞器，其主要成分是核苷酸代謝相關(guān)酶，因此其組建和解聚極有可能與細(xì)胞核酸代謝狀態(tài)相關(guān)，但目前還缺乏足夠證據(jù)。細(xì)胞蛇有多種形態(tài)，各種形態(tài)間的轉(zhuǎn)換機(jī)制及與功能之間的關(guān)系尚不明確。雖然有證據(jù)表明mTOR 信號(hào)通路影響細(xì)胞蛇的形成，但mTOR 信號(hào)通路怎樣促進(jìn)細(xì)胞蛇的組建以及生理上的意義尚不明確。除了CTPS 和IMPDH 之外，尚不清楚參與核苷酸代謝的其他酶是否也能在某種細(xì)胞狀態(tài)下組建細(xì)胞蛇結(jié)構(gòu)。如上文所述，影響細(xì)胞蛇形成的因素很多。細(xì)胞內(nèi)的CTPS 或IMPDH 是否在改變細(xì)胞狀態(tài)或添加刺激時(shí)，發(fā)生包括磷酸化和泛素化在內(nèi)的多種修飾？這些翻譯后修飾是否影響細(xì)胞蛇的組建或解聚？細(xì)胞蛇的組建對(duì)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)代謝，維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)有何意義？隨著對(duì)細(xì)胞蛇研究的不斷深入，這些問(wèn)題將逐一被解答，為無(wú)膜細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)和功能研究提供新的思路，也有助于更好地理解細(xì)胞基礎(chǔ)活動(dòng)及與疾病的聯(lián)系。